電磁驅(qū)動柔性振動膜并聯(lián)微泵的研究.pdf

1、基于MEMS技術(shù)的微泵,它是微流體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,具有體積小、功耗低、適宜批量生產(chǎn)等優(yōu)點。微泵作為微流體系統(tǒng)的驅(qū)動部件,在生物、化學、醫(yī)療、檢疫以及國防等方面構(gòu)建微分析系統(tǒng)(μTAs)有著廣泛的用途或潛在的市場需求,并可應用于特殊場合。 目前研究的微泵主要可分為機械式微泵和非機械式微泵,其中機械式微泵中的振動膜式微泵和非機械式微泵中的電滲流微泵的研究比較活躍?，F(xiàn)有機械式振動膜微泵的驅(qū)動器多采用壓電驅(qū)動方式或靜電驅(qū)動方式,其振幅小

2、,所需要的驅(qū)動電壓偏高,驅(qū)動頻率較高；而采用雙金屬片和形狀記憶合金驅(qū)動的微泵,其頻率過低,流量小,時滯較大。鑒于目前微泵的研究現(xiàn)狀,為了改善微泵的性能,本文提出了一種電磁驅(qū)動柔性膜無閥并聯(lián)微泵,采用電磁雙向驅(qū)動方式、楊氏模量小和硅橡膠作為振動膜,以及動態(tài)被動閥作為泵體,這不僅簡化了制作工藝,減小加丁難度,而且能夠更容易的獲得較好的驅(qū)動性能。 本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下: 討論了微泵噴嘴的單向流機理,也就是噴嘴的流向依

3、賴特性,從能量轉(zhuǎn)換的角度探討了噴嘴的整流能力,并得出,對于張角α=70°的噴嘴要得到明顯的整流效果,要求噴嘴的相對長度 (噴嘴的長度l與噴嘴的喉口邊長d<,0>之比)須大于2.采用板殼振動理論和電磁場理論對電磁驅(qū)動器的驅(qū)動性能進行分析,得出振動膜磁體需要和驅(qū)動線圈保持一定的垂直距離,以獲得最佳驅(qū)動性能,這一距離和線圈的平均邊長有關(guān)系。 設計微泵的結(jié)構(gòu)尺寸,并進行分析和優(yōu)化。采用整體分析法對微泵的驅(qū)動性能進行了分析,并用有限元數(shù)

4、值分析工具ANSYS軟件對其進行模擬；進一步對微泵驅(qū)動器的驅(qū)動性能進行分析和理解,分析結(jié)果與前述基本一致.對電磁驅(qū)動線圈的驅(qū)動l生能也進行了數(shù)值分析,驗證了永磁體陣列分布能充分發(fā)揮振動膜的柔性這一優(yōu)點.采用MEMS 工藝制作了所設計的微泵。所涉及的工藝主要有濺射、光刻、電鍍、永磁體(C oNiMnP)電鍍、硅的濕法刻蝕、玻璃的濕法刻蝕、聚酰亞胺工藝、硅橡膠工藝以及拋磨工藝等。 本研究主要集中于永磁體的電鍍和硅橡膠振動膜的工藝,

5、采用永磁體可以制作雙向驅(qū)動器,充分利用空間；利用硅橡膠楊氏模量低的特性得到較大的振幅.采用反應離子刻蝕(RIE)處理顯影后盼硅片,得到很好的電鍍一致性。同時,磁體為陣列分布,有效地減小了鍍層與種子層間的內(nèi)應力,有利于電鍍更高的結(jié)構(gòu)。在電鍍線圈時采用聚酰亞胺取代氧化鋁作為絕緣層和結(jié)構(gòu)層,制作工藝方便,而且內(nèi)應力小,不至于使基片變形,后續(xù)拋磨方便.為了便于微泵泵口進出管道的聯(lián)接,設計采用一玻璃基片作為過渡片,在玻璃基片上用HF溶液刻蝕管道,

6、并用硅橡膠對玻璃片進行密封,經(jīng)濃硫酸加雙氧水處理過的玻璃片與硅橡膠密封效果良好。 構(gòu)建微泵的試驗裝置,該裝置由低頻電源、微泵、塑料軟管、儲水池和顯微鏡組成。首先對電磁驅(qū)動器的直流驅(qū)動性能進行了試驗,試驗表明,振動膜的位移量與線圈的驅(qū)動電流、振動膜磁體與線圈平面之間的垂直距離有關(guān)。當線圈電流為0.35A,振動膜與線圈間距為100μm時振動膜的位移達到最大,為40.21μm.對微泵的流體驅(qū)動性能進行測試,試驗表明,在0.351A、頻